Темные аксионы ограничили с помощью нейтронных звезд

Ученые использовали данные об излучении нейтронных звезд в радиодиапазоне для поиска аксионов — гипотетических элементарных частиц, претендующих на принадлежность к темной материи. Физики воспользовались тем, что сильное магнитное поле от нейтронных звезд должно приводить к переходу темных аксионов в фотоны, которые уже можно зарегистрировать на Земле с помощью радиотелескопов. Исследователям не удалось зарегистрировать такие процессы, но полученные ограничения на константу взаимодействия превзошли другие эксперименты в части диапазона масс, а совершенствование метода и новые телескопы в будущем потенциально позволят использовать нейтронные звезды для обнаружения легчайших частиц темной материи. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Физики уже давно научились с высокой точностью предсказывать характеристики материи с помощью Стандартной модели: поиск отклонений экспериментальных данных от прогнозов этой общепринятой теории вырос в отдельную область физики частиц. Тем не менее Стандартной модели недостаточно для полного описания нашего мира, даже если забыть про не входящую в нее гравитацию. К примеру, в рамках этой теории нельзя объяснить аномально высокую скорость вращения внешних областей галактик и эффект гравитационного линзирования: для этого недостаточно присутствия во Вселенной только видимой материи. Эта проблема решается, если предположить, что во вселенной существует еще не известная нам форма материи, которая и играет роль скрытой массы в описанных выше явлениях. Ее существование предсказывается и из данных о флуктуациях в температуре реликтового излучения. Из-за того, что она не должна быть видима напрямую, такой гипотетической форме материи дали общее название — темная материя.

Существует множество предположений о форме, в которой могла бы существовать темная материя: от легчайших стерильных нейтрино до тяжелых вимпов. Одним из альтернативных кандидатов на роль частиц темной материи является темный аксион — гипотетическая сверхлегкая нейтральная элементарная частица. Помимо объяснения природы темной материи, существование аксионов позволило бы приблизиться к объяснению и сильной CP-проблемы — еще одной неточности предсказаний Стандартной модели, заключающейся в отсутствии нарушений CP-симметрии в квантовой хромодинамике. На практике эта проблема проявляется, к примеру, в том, что по последним экспериментальным данным у нейтрона нет электрического дипольного момента, причем погрешность этих результатов в триллион раз меньше, чем предсказываемое теорией абсолютное значение самого дипольного момента. Именно в попытке объяснить CP-инвариантность квантовой хромодинамики Роберто Печчеи и Хелен Квинн постулировали существование аксиона в 1977 году. Однако ни аксионы в рамках Стандартной модели, ни их темные аналоги, как и другие гипотетические темные частицы, пока не удалось зарегистрировать с уверенностью в результате.

Регистрация темных аксионов — крайне сложная задача: согласно предсказывающим их существование теориям, такие частицы очень слабо взаимодействуют с частицами Стандартной модели. Но в этом случае полезным для физиков обстоятельством является другая особенность темного аксиона, который может превращаться в фотон при взаимодействии с сильным магнитным полем с резонансной для аксиона частотой. При этом частота рожденного фотона, как, собственно, и резонансная частота, зависит от массы аксиона, и для предполагаемой массы в 5 — 25 микроэлектронвольт лежит в радиодиапазоне: порядка нескольких гигагерц. Это явление, которое в общем случае называется эффектом Примакова, заставило физиков взглянуть на нейтронные звезды как на потенциальный источник таких фотонов: ведь сами нейтронные звезды являются источниками сильнейших магнитных полей, мы многое знаем об их спектрах, и некоторые из них расположены от нас на достаточно небольшом расстоянии (порядка сотен парсек). В случае, если в окрестности нейтронной звезды возникает необходимое магнитное поле, в ее спектре могут быть зарегистрированы следы превращения темного аксиона в фотон, а частота последнего будет говорить о массе аксиона.

Группа ученых во главе с Джошуа Фостером (Joshua Foster) из Мичиганского университета использовали радиотелескоп Грин-Бэнк и Эффельсбергский радиотелескоп для наблюдения за рядом объектов, от которых ожидался яркий сигнал преобразования аксионов в фотоны, в том числе за центром Млечного Пути, а также за двумя близлежащими к нему нейтронными звездами RX J0720 и RX J0806. Чтобы исключить влияние фона при измерениях на Грин-Бэнк, исследователи периодически (раз в 5 минут при общей длительности измерений в 40 минут) отводили телескоп от исследуемого объекта на соседний участок условно пустого неба, а в случае измерений Эффельсбергского телескопа ученые ограничились однократными длительными измерениями объектов и пустого неба. Полученный фон вычитался из итоговых измерений, а результатом наблюдений стала зависимость от частоты верхнего предела плотности потока излучения исследованных источников в диапазоне от 1,2 до 2,7 гигагерц, но в итоговых данных не нашли следов процессов перехода аксионов в фотоны.

Далее физикам нужно было перевести полученные результаты в ограничения на константу взаимодействия процесса перехода аксиона в фотон. Для этого ученые провели моделирование исследуемого процесса в окрестности изученных объектов, учтя их местоположение и прогнозируемые распределения плотности аксионной темной материи вокруг них, погрешность соответствующие вычислений для центра Млечного Пути оказалась сильно больше, чем для нейтронных звезд. Тем не менее, полученные ограничения на константу взаимодействия превзошли результаты эксперимента CAST в ЦЕРНЕ и оказались сопоставимы с таковыми в экспериментах UF и RBF в диапазоне масс аксионов от 5 до 10 микроэлектронвольт, а в промежутке между 10 и 11 микроэлектронвольт ограничения оказались сильнейшими на настоящий момент. Таким образом физики еще немного приблизились к ожидаемым значениям константы взаимодействия, соответствующей аксиону в рамках квантовой хромодинамики.

Авторы отмечают и то, что данное исследование — лишь первая попытка использовать нейтронные звезды в качестве проб существования аксионной темной материи, и что в дальнейшем продемонстрированный метод может быть улучшен для получения еще более строгих ограничений. Ученые возлагают большие надежды и на новые поколения радиотелескопов, с помощью которых можно будет на порядки увеличить чувствительность измерений. Также физики указывают на важность проведения аналогичных измерений для частот порядка 6 гигагерц, что соответствует массе аксиона в 25 микроэлектронвольт, так как именно эта масса наиболее ожидаема для темного аксиона.

Источником магнитного поля для перехода аксиона в фотон совсем не обязательно должна быть нейтронная звезда: ранее мы рассказывали об эксперименте ADMX, в котором детектор самостоятельно генерирует магнитное поле в охлаждённой полости и регистрирует рожденные в ней фотоны. А о регистрации других редчайших событий в мире элементарных частиц можно почитать в нашем материале «Раритеты микромира: Возвращение неуловимых».